KR20030083821A - 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

우물층 성장 직전에 장벽층을 추가로 성장시켜 열화된 표면 위에 우물층이 성장되는 것을 방지하는 것과 아울러 우물층 성장 전의 성장 정지 시간동안 반응기 내부에 존재하는 불순문들이 우물층으로 유입되는 것을 방지하고, 그 추가로 성장시킨 장벽층에 Si 도핑을 통한 양자점 형성을 촉진하여 소자의 광특성을 향상시키며, 특히 추가 성장하는 장벽층에만 Si 도핑을 함으로써 장벽층 전체에 도핑했을 때 발생될 수 있는 결정성 저하를 방지한다.

Description

질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법{Method for manufacturing Nitride semiconductor light emitting device}

본 발명은 우물층이 성장되는 장벽층 표면 상태를 최적으로 유지할 수 있도록 온도 변화가 일어나는 성장 정지 시간 후에 얇은 두께의 또 다른 장벽층을 우물층 성장 온도에서 성장하도록 하는 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 질화물 반도체는 일반식 직접 천이형으로 되어 있어 발광 효율이 높고 In 원의 농도 조절을 통해 적색부터 보라색, 자외선 영역까지의 발광 파장을 형성하는데 사용되어 왔다.

이러한 질화물 반도체를 이용한 발광 소자의 제조 기술은 최근 10여 년간 많은 발전을 했는데, 특히 성장 방법과 구조에 대한 이해가 진전됨에 따라 발광 소자의 특성, 즉 휘도, 출력, 구동 전압, 정전 특성과 신뢰성에 상당한 개선이 이루어졌다.

하지만 계속적인 노력에도 불구하고, 여전히 고 출력화 및 저 구동 전압에 대한 요구가 높고, 장파장(노란색광과 적색광) 및 단파장(자외선)을 출력하는 질화물 반도체 발광 소자에 대한 연구가 필요한 실정이다.

도 1은 일반적인 질화물 반도체를 이용한 발광 소자의 기본 구조 단면도로서, 기판(10)의 상부에 n-질화갈륨층(11), 활성층(12), p-질화갈륨층(13)이 순차적으로 형성되어 있고, 상기 p-질화갈륨층(13)에서 n-질화갈륨층(11) 일부까지 수직적으로 메사(mesa)식각되어 노출된 n-질화갈륨층(11) 상부에는 n-전극(16)이, 상기 p-질화갈륨층(15) 상부에는 전류 확산용 투명 전극(14)과 p-전극(15)이 형성되어 있다.

특히, 상기 활성층(12)은 도 2에 도시된 바와 같이 우물층(well)(20, 22)장벽층(barrier)(21, 23)이 적어도 한번 이상 교번으로 적층되어 이루어져 있다.

이렇게 이루어지는 활성층 특히 우물층은 그 광특성에 따라 질화물 반도체 발광 소자 전체의 광특성을 결정하는데, 상기 활성층을 이루는 우물층과 장벽층은 통상적으로 In_xGa_1-xN(0<x<1)를 사용하여 제조하고, 두 층은 In 조성의 차이로 인해 서로 다른 온도에서 성장된다.

즉, In 조성이 작은 장벽층을 고온에서 성장한 후, 성장을 멈추고 저온으로 온도를 내려 인듐 조성이 큰 우물층을 성장하게 된다.

이 때, 장벽층 성장 후 성장을 멈추고 온도를 내리는 데에는 온도차에 따라 다르지만, 수분 이상의 시간이 소요된다.

따라서, 이 성장정지 시간 동안에 표면 상태의 변화가 일어나게 되는데, 표면 상태는 그 위에 우물층이 형성된다는 것을 고려하면 매우 주의 깊게 조절되어야 할 부분으로, 우물층 성장에 적합한 표면 상태를 유지하는 것이 중요하다.

하지만 성장이 멈춘 상태로 고온에서 온도를 유지하면, 표면의 열화가 발생될 뿐만 아니라, 표면에서 탈착되는 원자들에 의해 그 표면이 거칠어지고, 반응기 내부에 존재하는 불순물 원자들이 쉽게 표면에 흡착하여 표면 불순물의 농도가 높아짐으로 인해 우물층이 성장되는 장벽층의 표면 상태가 나빠지는 문제점이 있다.

이에 본 발명은 상기한 문제점을 해소시키기 위한 것으로, 우물층이 성장되는 장벽층 표면 상태를 최적으로 유지할 수 있도록 온도 변화가 일어나는 성장 정지 시간 후에 얇은 두께의 또 다른 장벽층을 우물층 성장 온도에서 성장하도록 하는 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 장벽층 성장 후 감온 과정에서 열화된 장벽층 표면을 우물층 성장에 적합하도록 복구하기 위해 우물층 성장 직전에 1nm ~ 2nm 정도 두께의 얇은 장벽층을 추가로 성장하고, 이 때 추가 성장하는 장벽층에는 Si를 도핑하여 인듐 조성의 불균일성에 의한 양자점 성장을 유도하도록 한다.

도 1은 일반적인 질화물 반도체 발광 소자의 기본 구조 단면도이고,

도 2는 일반적인 질화물 반도체 발광 소자 활성층의 기본 구조 단면도이고,

도 3a 내지 도 3e는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법을 도시한 공정도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

30 : 기판 31 : n-질화갈륨층

32, 36 : 우물층 33, 37 : 제 1 장벽층

34, 35 : 제 2 장벽층 38 : p-질화갈륨층

39 : 투명 전극 40 : p-전극

41 : n-전극

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 살펴보면 다음과 같다.

먼저 본 발명은 기판 상부에 질화물 반도체층을 성장한 후, 상기 질화물 반도체층의 상부에 제 1 우물층과 제 1 장벽층을 성장한다.

그런 다음 이송 기체와 NH₃만을 공급하여 제 1 장벽층 성장을 멈추고, 온도를 제 1 우물층 성장 온도까지 낮춘 후, 제 2 장벽층을 추가로 성장한다.

이 때 상기 제 2 장벽층의 두께는 1nm ~ 2nm로 얇게 성장하도록 하는데, 이는 상기 제 2 장벽층의 성장 온도가 제 1 장벽층의 성장 온도보다 낮기 때문에 더 이상의 두께로 성장하게 되면 스트레인으로 인해 상기 제 2 장벽층 자체에 결함이 발생되기 때문이다.

또한, 추가 성장하는 상기 제 2 장벽층에 불순물을 공급하여 인듐 조성의 불균일성에 의한 양자점 성장을 유도하도록 하는데, 예를 들면 상기 제 2 장벽층에 SiH₄를 공급하여 10¹⁸~ 10¹⁹/cm³농도로 Si도핑이 이루어지도록 한다.

이렇게 이루어지는 Si 도핑은 연속적으로 성장되는 우물층에서 인듐 조성의 불균일성에 의한 양자점 형성을 촉진할 수 있는데, 상기 양자점은 질화물 반도체 발광 소자의 광특성을 결정하는 중요한 요소이다.

즉, 상기 Si는 우물층 성장 초기에 성장이 시작되는 성장핵 형성을 촉진하고, 갈륨에 비해 고체상 형성 효율이 현저히 떨어지는 인듐이 쉽게 들어갈 수 있는 장소를 제공하여, Si원자 주위가 다른 영역에 비해 인듐 조성이 높아지게 되어 그 조성 불균일성에 의한 양자점 형태의 영역이 형성되고, 이렇게 형성된 영역이 소자의 발광 특성을 향상시키게 된다.

아울러 상기와 같이 추가 성장하는 제 2 장벽층에만 Si를 도핑하는 것이 바람직한데 이는 장벽층 전체에 Si를 도핑함으로써 야기될 수 있는 장벽층 결정성 저하를 방지할 수 있다.

전술한 본 발명의 공정이 적용된 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법에 관한 일 실시예를 도 3a 내지 도 3e를 참조하여 설명한다.

그리고 설명할 일실시예에서 질화물 반도체층은 질화갈륨(GaN)층으로 하고, 우물층과 제 1 장벽층 및 추가로 성장할 제 2 장벽층은 In조성을 가지는 InGaN로 이루어진 것으로 한다.

먼저 기판(30) 상부에 n-질화갈륨층(31)을 성장한 후(도 3a), 성장한 n-질화갈륨층(30)의 상부에 In 원을 공급하면서 우물층(32)인 In_xGa_1-xN(0<x<1)과 제 1 장벽층(33)인 In_yGa_1-yN(0<y<1)을 순차적으로 성장한다(도 3b).

이 때 상기 우물층(32)은 약 800℃ ~ 850℃로 2분간 성장하고, 상기 제 1 장벽층(33)은 약 900℃ ~ 1000℃로 약 1 분간 성장하도록 하고, 상기 In 원의 유입량은 50㎛ol정도로 유지하는 것이 바람직하다.

이어, 상기 제 1 장벽층(33)을 원하는 두께 정도로 성장시킨 후, 이송 기체와 NH₃만을 공급하여 그 성장을 약 5분 정도 멈추고, 온도를 상기 우물층(32) 성장 온도까지 낮춘다.

그리고 나서, 상기 제 1 장벽층(33) 상부에 제 2 장벽층(34)인In_zGa_1-zN(0<z<1)을 추가로 성장하는데(도 3c), 이 때 상기 제 1 장벽층(33)인 In_yGa_1-yN과 제 2 장벽층(34)인 In_zGa_1-zN을 동일한 화합물로 사용하여 격자 부정합으로 인한 스트레인을 방지하는 것이 바람직하다.

아울러 상기 제 2 장벽층(34)의 두께를 1nm ~ 2nm로 얇게 성장하여, 스트레인으로 인한 상기 제 2 장벽층(34) 자체의 결함 발생을 억제하도록 한다.

또한, 추가 성장하는 상기 제 2 장벽층(34)에 SiH₄를 공급하여 10¹⁸~ 10¹⁹/cm³농도로 Si도핑이 이루어지도록 한다.

아울러 Si도핑은 추가 성장하는 제 2 장벽층(34)에만 이루어지도록 하여 장벽층 전체에 Si를 도핑함으로써 야기될 수 있는 장벽층 결정성 저하를 방지하는 것이 바람직하다.

그리고 이러한 제 2 장벽층은 활성층 내에 우물층과 제 1 장벽층 사이마다형성되는데 예를 들면, 도 3c에 도시된 바와 같이 우물층(well)(32), 제 1 장벽층(barrier)(33), 제 2 장벽층(34), 우물층, 제 1 장벽층, 제 2 장벽층, .... , 제 2 장벽층(35), 우물층(36), 제 1 장벽층(37)이 순차적으로 형성된다.

다음 이렇게 형성된 제 2 장벽층을 포함한 활성층 상부에 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)를 이용하여 p-질화갈륨층(38)을 형성하고(도 3d), 상기 p-질화갈륨층 상부에 전류 확산용 투명 전극(36)을 순차적으로 형성한다.

이어 RIE(Reactive Ion etching) 등을 통해 상기 p-질화갈륨층(38)에서 n-질화갈륨층(31)의 일부까지 수직적으로 메사(mesa)식각하여 상기 n-질화갈륨층(31)의 일부를 노출시킨다(도 3e).

그리고 나서 메사 식각으로 노출된 n-질화갈륨층(31)의 상부에 n-전극(41)을 형성하고, 상기 투명 전극(36) 상부에 전류 확산용 투명 전극(39)과 p-전극(40)을 형성하여 발광 소자의 제조 공정을 종료한다(도 3f).

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법은 우물층 성장 직전에 장벽층을 추가로 성장시켜 열화된 표면 위에 우물층이 성장되는 것을 방지할 수 있고, 우물층 성장 직전 온도 변화가 일어나는 성장 정지 시간동안 반응기 내부에 존재하는 불순문들이 우물층으로 유입되는 것을 방지할 수 있으며, 그 추가로 성장시킨 장벽층에 Si 도핑을 통한 양자점 형성을 촉진시켜 소자의 광특성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 그 추가 성장하는 장벽층에만 Si를 도핑함으로써 장벽층 전체에 도핑했을 때 발생될 수 있는 결정성 저하를 방지할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 기재된 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (7)

1. 기판의 상부에 제 1 질화물 반도체층을 성장하는 제 1 단계와 ;

   상기 제 1 질화물 반도체층의 상부에 우물층, 제 1 장벽층을 복수회 교번으로 성장시키되, 상기 제 1 장벽층 성장 후 및 우물층 성장 전에 T⁰C로 제 2 장벽층을 추가로 성장시켜 활성층을 형성하는 제 2 단계와 ;

   상기 활성층 상부에 제 2 질화물 반도체층을 성장하는 제 3 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 T℃는 ;

   상기 우물층의 성장 온도와 동일한 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 장벽층은 ;

   두께가 1nm ~ 2nm로 성장되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 장벽층은 ;

   상기 제 1 장벽층과 우물층의 성장 사이에서 온도 변화가 일어나는 성장 정지 시간 후에 성장되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 성장 정지 시간은 ;

   5분 정도인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 장벽층과 제 2 장벽층은 ;

   동일한 화합물로 이루어지고, 상기 두 장벽층 중 상기 제 2 장벽층에만 불순물의 도핑이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 불순물은 ;

   Si인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법.